微型电化学传感器研究的最新进展

李冠华

摘  要：随着微型电化学传感器应用范围的不断扩大，我们能够在其中看到各种微加工技术的身影，微型电化学传感器的应用不仅能够降低有毒试剂的消耗，还能够实现大规模批量的生产，从而切实有效的降低环境污染所带来的问题。本文以微型电化学传感器的内部结构组成出发，论述了微型电化学传感器主要的应用材料，并在此基础上探讨了微型电化学传感器的主要制作工艺，希望能够掌握微型电化学传感器研究的最新进展的基础上，提升微型电化学传感器的应用水平，从而实现我国生物医学等相关行业的突破。

关键词：微型电化学传感器;研究;最新进展

一、微型电化学传感器的内部结构

微型电化学传感器主要由大量微电极所组合而成的，与其他电极不同的是，单个微电极所产生的电流非常低，但是通过微型电化学传感器能够将单个微电极组合在一起从而形成传感器阵列，既能够保证微电极自身的特性，还能够实现电流信号的翻倍。为了能够实现微电极的电流信号的传导，微电极阵列时能够确保基底上微电极之间的有效间距，通常来说间距必须足够大，而且其中微电极与微电极的扩散层不存在重叠的现象，如此才能够提升微型电化学传感器的传质能力。通常来说，微电极阵列主要以叉指微电极阵列为主。所谓的叉指微电极阵列指的是将叉指微电极阵列封装在电路板上从而进行使用。

与此同时，为了能够更好的实现微电极阵列的优化，美国Rosemary Feeney采取了光刻技术，通过将微电极组成的方形阵列和圆形阵列的形式扩大微型电化学传感器的传质能力，其中，在方形阵列和圆形阵列中微电极直径通常保持在10，具体如图1所示，

其中，（a）主要以方形阵列为主，通过将25个铱微盘电极置于列阵中，确保圆形列阵中的微电极能够被参比电极所包围。与此同时，25个铱微盘电极、参比电极又能够同时被置于方形阵列当中。（b）主要采取圆形阵列的形式，包裹三个同心环，其中，同心环的中主要涉及到20个铱微盘电极，另外两层则分别为参比电极以及对电极。

Rosemary Feeney将微电极集成在一个硅片上，借助于工作电极和参比电极列阵的形式，检测出0-100ppb的，Rosemary Feeney證明了方形阵列和圆形阵列内部通过降低微电极的应用数目，能够确保微电极应力向极小化方向发展的同时，提升微型电化学传感器的传质能力。

二、微型电化学传感器主要的应用材料

2.1汞电极在微型电化学传感器中的应用

与其他重金属相比，汞电极具有极广的应用范围，这是因为汞电极对氢具有很高的超电位，当汞与重金属混合在一起时能够产生汞齐，无形中能够扩大汞电极的电位使用范围，从而降低重金属的析出电位。在应用汞电极时，应当注意到汞具有毒性，将其应用在微型电化学传感器中容易产生中毒问题，但是不可否认的是汞电极容易获得干净的再生表面，能够有效的延长微型电化学传感器的使用寿命。一般来说，根据环境保护组织的要求，目前应用在微型电化学传感器中的汞主要以非汞电极为住。为了能够在石墨、铂以及，铱等微电极上形成汞膜电极，实验人员应当采取电解法的形式实现汞离子溶液的分离。与其他元素相比，汞电极与铱具有较好的融合性，这是因为铱具有低可溶性，且不容易与汞电极在一起产生汞铱金属互化物，再加上铱在汞中的溶解度通常低于，使得，汞电极与铱在一起时容易在铱表面形成汞半球，从而提升单个微电极的单流量。

2.2固体电极在微型电化学传感器中的应用

固体电极最大的优势在于其自身的使用性能不会因为电位的影响而发生变化，大部分的贵金属容易在较正的电位状态下发生氧化时，此时贵金属会产生氧化层覆盖至电极表面从而影响微电极的电流效应。此外，由于碳具有化学惰性，表面不易被氧化，且其本身具有良好的导电性能，有很高的氢超电位，主要应用于电化学溶出分析工作当中。固体电极中还会增加贵金属元素，这是因为贵金属元素具有化学惰性和高导电性，在应用中主要以金电极为主，这是因为金电极具有较宽的电位窗，能够检测出固体电极中是否含有As等重金属元素。不仅如此，还有将钨丝作为电极应用到固体电极当中的。

三、微型电化学传感器的主要制作工艺

3.1微型电化学传感器的主要制作工艺之微电子工艺

所谓的微电子工艺指的是通过设计的微型传感器几何形状，从而实现微型传感器阵列的精确调整。与其他的微型电化学传感器的制作工艺相比，微电子工艺具有批量制作重复性好以及易于集成化的特点，使得其具有广泛的应用空间。微电子工艺中光刻技术是常用的技术之一，常常与腐蚀相结合，从而形成薄膜微电极阵列。如图2所示，

光刻技术通过溅射Cr的形式从而形成刻蚀，此时热熔光刻胶将会在微电极表面形成凸起，当其与化学气相沉积时，再通过光刻去胶的形式完成最终的电极形貌。

3.2微型电化学传感器的主要制作工艺之印刷传感器

印刷传感器具有价格便宜以及灵敏度高的特点，主要应用于微型电化学传感器的批量生产作业中，印刷传感器的应用主要以丝网印刷为核心，与其他的微型电化学传感器的制作工艺相比，印刷传感器所使用的丝网印刷能够随意的改变所制作电极的大小和形状，从而实现了微型电化学传感器方阵的优化排布。印刷传感器所形成的印刷电极主要应用于塑料基底当中，当然在陶瓷或硅基底我们同样能够看到印刷传感器的身影。通常来说，印刷传感器的具体使用步骤划分为五步，第一步是选择基底材料并根据工艺要求完成聚酯工作，第二步是印刷碳导电轨和对电极，第三步是完成Ag/AgCL参比电极的印刷作业，第四步是铂工作电极的印刷作业，第五步是核心步骤，微型电化学传感器对于绝缘层提出了较高的要求，因此在印刷绝缘层时应当加强工艺质量的把控工作。

四、结束语

综上所述，微型电化学传感器的应用主要受到材料以及结构的影响，再加上电化学检测方法的不同，使得微型电化学传感器中重金属溶出的出峰位置也会随之不同。在开展微型电化学传感器研究工作时，应当关注电位扫描频率以及金属间互化物等变量的影响因素，通过优化这些变量从而实现微型电化学传感器的优化调整。与此同时，微电子工艺以及印刷技术均具有批量生产的特性，在应用时应当结合微型电化学传感器应用领域有针对性的挑选合适的制作工艺。

参考文献

[1]  刘建国，安振涛，张倩.新型电化学传感器的研究进展[J].传感器与微系统，2013，32（7）：1-3，7.

[2]  邹绍芳，门洪，王平.微型电化学传感器研究的最新进展[J].传感技术学报，2004，17（2）：336-341.

[3]  王君.微型电化学生物传感器的设计及其在细胞生化参数检测中的应用研究[D].浙江：浙江大学，2013.